台灣第一顆量子位元, 量子電腦

圖說: 縱軸是線圈電流, 對應1mA=2.6421高斯磁場, 橫軸是頻率, 顏色深淺代表微波穿透訊號的多寡

從我碩士時期開始, 就寄望能夠打造量子位元, 與朝向量子電腦發展

量子電腦是由量子位元所組成, 

量子位元神奇的地方就在於, 它不同於傳統位元只有兩個狀態(0,1)

而是在0與1狀態的機率疊加, 所以這個機率分佈的組合會有無限多個可能

注意, 光一個位元能給出的結果就是無限多了!

計算多體問題, 天體問題, 相對論, 混沌, 大霹靂, 解碼, 天氣預測, 地震預測...... 

甚至; 我認為以後如果要太空旅行, 絕對每一台星艦上面都要搭載著量子電腦

量子位元的結構, 如下圖所示, 

最上層圖是微波波導矽晶片, 金屬部分是鍍上鈮的超導材料

可將微波從左方導入, 經由電容耦合到中央的細線部分, 再從右方電容耦合出去

中央的細線孤立在波導矽晶片上, 其長度滿足光子共振條件L=波長/2

可以稱其為共平面波導共振腔, 有著特殊的共振頻率: f=傳播波速/波長

線旁挖了一個空白區域, 在裡面做第二次製程, 塞入一顆量子位元

如下圖中間部分所示!

量子位元一整個都是經由鋁二次蒸鍍所製成, 

指叉狀的部分(或是像牙齒), 是為了增加量子位元的電容量

真正的主體為最下面一張電子顯微鏡圖中的方型, 這個圈組成了一個超導量子干涉元件

圈的左右兩端由兩個超導的約瑟芬接合所分開, 

讓上端的指叉部分形成一個空間上孤立的島, 此島即為量子位元

超導量子干涉元件形狀的圈, 可經由外加磁場來改變量子位元的能量狀態

理想上, 那個量子位元孤島的能量可以被磁場所週期性調控,

而共振腔中的光子, 在量子位元的能量與共振腔光子能量產生耦合時,

可形成一疊加的量子狀態, 此量子狀態可寫成兩個狀態的疊加

這樣的兩個狀態, 即可代表先前提到的0與1的狀態

而這樣可以用來當作量子位元的系統, 稱之為二能階系統

為了避免溫度的擾動對系統能量造成干擾, 還有要元件低於其超導臨界溫度變成超導體

我們把樣品放在60mK的環境下進行量測, 

絕對零度是攝氏-273.15度, 60mK就是零下273.09度!!

如果我們觀察量子位元的電漿共振頻率隨磁場的週期性變化

在遠離共平面波導共振腔的共振頻率(約在5.53GHz)外, 可以如下圖被量測到

縱軸是磁場變化下, 在我們低溫放大器的工作範圍從6 GHz到8.5 GHz中

如同淡黃色虛線所標出的週期性變化圖樣, 

清楚的表明量子位元的共振頻率隨磁場的變化

如第一張圖的表示方法,
這裡我們加大磁場供給範圍, 可以看到更多週期的排列

下圖裡的紅色虛線表示共振腔的共振頻率, 

黃色箭頭標出我畫的兩條黃色雙曲線示意的部分

雙曲線的成因是來自於量子位元的能量與共振腔光子的能量產生耦合

能量簡併所分裂出的能態

放大上圖的雙曲線部分, 如下

如果在頻率的軸上大範圍的去觀看, 

把兩張圖疊合起來, 就會像是下面的情況:

我預估台灣從事量子電腦相關研究工作的, 應該不下於50人

且量子電腦的研究時間長過十年,

但是, 上面的結果我相信是在台灣第一顆實驗做出的量子位元, 非常清楚的被量測觀察到

可見要在實驗上作出量子位元需要克服多大的位障!
搭配我先前在台中中興大學做了六年的基礎

在中央研究院將屆滿兩年的時間中完成了這個工作

感謝學長林銘洲博士後與學弟張佑誠研究助理的共同參予

還有團隊領導陳老師與過去的恩師郭華丞老師的指導, 才有這樣的成果

做出這樣的工作, 令我感到滿足與成就

不過, 思考自己的未來......

台灣競爭激烈, 就算這個題目熱門, 即使我是做出實驗的第一人與key man

但是沒有運氣的我, 最後應該還是輪不到有教授職務或是研究工作吧! 

或許, 之後轉做金融也不一定!

有能力肯努力有感覺會做事又如何??
沒有運氣, 不善表演, 不愛說廢話也不會把芝麻蒜皮的小事發揚光大的自己

僅是感慨無法在自己的土地上能有所發揮罷了!